Размещено на http://www.allbest.ru/

32

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский Государственный Университет Путей Сообщения

ОмГУПС(ОмИИТ)

Кафедра: Вагоны и вагонное хозяйство

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту

“Конструкция и расчет вагонов”

Выполнил:

Семяшкин М.А.

Проверил:

Зубенко В.В.

Омск 2006

Реферат

Курсовой проект содержит 39 страниц, 1 таблицу, 3 рисунка, 2 чертежа, 4 источника.

Вагон, ГАБАРИТ, ОСЬ, ТЕЛЕЖКА, ПАРАМЕТР ВАГОНА, НАГРУЗКА, РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК, БОКОВАЯ РАМА, АВТОСЦЕПНОЕ УСТРОЙСТВО.

Целью курсового проекта является разработка новой конструкции вагона (платформа модели 13-9007) со сниженной тарой вагона и повышенной грузоподъемностью, так как снижение тары новых разрабатываемых конструкций вагонов есть одна из важнейших задач вагоностроения.

Необходимо определить линейные размеры, вписать вагон в габарит 1-Т названого состава, определить нагрузки, действующие на вагон и его части, рассчитать и выбрать ось колесной пары по условному методу, обеспечить устойчивость движения колесной пары по рельсовой колее, рассчитать срок окупаемости или годовую экономическую эффективность.

Объектом проектирования является грузовой вагон (платформа модели 13-9007), состоящий из рамы, ходовых частей, автосцепного и автотормозного оборудования.

Навыки проектирования могут быть использованы при выполнении курсовых проектов по специальным дисциплинам.

Содержание

Введение

1. Описание конструкции вагона и тележки

2. Выбор основных параметров вагона

2.1 Расчет грузоподъемности вагона

2.2 Определение линейных размеров вагона

3. Вписывание вагона в габарит подвижного состава

3.1 Определение горизонтальных размеров строительного очертания вагона

3.2 Установление вертикальных размеров строительного очертания вагона

3.3 Определение размеров проектного очертания вагона

4. Нагрузки, действующие на вагон и его части

4.1 Вертикальные нагрузки, действующие на детали тележки

4.1.1 Вертикальная статическая нагрузка

4.1.2 Вертикальная динамическая нагрузка

4.1.3 Суммарная вертикальная нагрузка

4.2 Боковая нагрузка

4.3 Нагрузки, обусловленные силами инерции

5. Расчет оси колесной пары по условному методу (метод ЦНИИ-НИБ)

6. Устойчивость движения колесной пары по рельсовой колее

7. Расчет на прочность и выносливость рессорного комплекта

7.1 Расчет на прочность

7.2 Расчет на выносливость

8. Технико-экономическое обоснование эффективности разработанной конструкции вагона

Заключение

Библиографический список

Введение

Последовательное проведение намеченного ОАО «РЖД» курса на обеспечение устойчивой работы железных дорог, стабильного и эффективного функционирования отрасли на основе сбалансированности использования имеющихся технических средств, внедрения технологически обоснованных принципов управления позволило в первом полугодии нынешнего года заметно улучшить работу отрасли.

Проектирование вагонов является сложной инженерной задачей, обеспечивающей безопасность движения поездов. В значительной мере оно влияет на технико-экономические показатели всех подразделений железных дорог и многих отраслей народного хозяйства и населения страны, пользующихся услугами железнодорожного транспорта. В создании нового типа и конструкции вагона принимают участие специалисты научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций, заводов вагоностроительной, металлургической, электротехнической и других отраслей промышленности.

Создание высокоэффективных типов и конструкций вагонов, качественное техническое их обслуживание и ремонт во многом зависит от квалификации специалистов вагонного хозяйства. Для поддержания высокого технического уровня вагонного парка в современных условиях необходимо применение новейших технологий с использованием средств механизации и автоматизации процессов при проектировании, постройке и эксплуатации вагонов. Незначительное повышение эффективности вагонов приводит к существенным суммарным результатам.

Оптимизация перевозочного процесса и инфраструктуры, используемой для перевозок, обеспечит высокую эффективность работы железных дорог в условиях реформирования отрасли, будет способствовать сокращению эксплуатационных затрат и прибыльной работе ОАО «РЖД». Разработка плана формирования вагонов с контейнерами является актуальной проблемой для железных дорог РФ. В настоящее время среднесуточные объемы погрузки - выгрузки 38% контейнерных пунктов для переработки среднетоннажных контейнеров не превышает одного контейнера в сутки и только на 19,2% КП переработка достигает 10 у.е. Рациональная организация контейнеропотоков предусматривает наиболее экономичные пути их следования, порядок формирования поездов и вагонов с контейнерами. Календарное планирование погрузки контейнеров имеет отрицательный эффект, который состоит в том, что уменьшение периодичности приема грузов к перевозке ведет к снижению качества транспортного обслуживания грузоотправителей.

1. Описание конструкции вагона и тележки

Все вагоны независимо от назначения и конструкции состоят из элементов (узлов), общих для вагонов любого типа. К этим элементам относятся ходовые части, кузов, ударно-тяговые приборы и тормозное оборудование.

К ходовым частям относятся колесные пары, буксы и рессорное подвешивание. В современных вагонах ходовые части объединяются в самостоятельные узлы, называемые тележками. Кроме перечисленных элементов, тележки имеют раму, на которой крепятся детали рессорного подвешивания, тормозного оборудования и предохранительные скобы, а для передачи нагрузки от кузова на тележку - надрессорные балки с подпятниками и скользунами.

Ходовые части (тележки) являются наиболее ответственными узлами, которые должны обеспечивать безопасность движения вагона по рельсовому пути с необходимой плавностью хода (наименьшее динамическое воздействие на перевозимый груз и на элементы пути) и наименьшим сопротивлением движению.

Кузов вагона предназначен для размещения пассажиров или грузов. Конструкция кузова зависит от типа вагона. У многих вагонов основанием кузова является рама, состоящая в основном из продольных и поперечных балок, жестко соединенных между собой. На раме кузова размещаются ударно-тяговые приборы и часть тормозного оборудования. Рама кузова через пятники опирается на подпятники тележек, а у нетележечных вагонов - на упругие элементы рессорного подвешивания. Расстояние между центрами пятников называется базой вагона (у нетележечных вагонов это расстояние измеряется между осями крайних колесных пар).

Четырехосная платформа модели 13-9007 предназначена для перевозки колесных пар, контейнеров, штучных лесных и других грузов, не требующих укрытия и защиты от атмосферных осадков.

Основные параметры вагона:

- грузоподъемность - 68 тс,

- масса тары вагона - 25,2 тс,

- нагрузка:

статическая осевая - 23,3 тс

погонная - 4,75 тс,

- скорость конструкционная - 120 км/ч,

- база вагона - 13900 мм,

- длина:

по осям сцепления автосцепок - 19620 мм,

по концевым балкам рамы - 18400 мм,

- ширина максимальная - 3056 мм,

- высота от уровня верха головок рельсов:

максимальная - 1742 мм,

до уровня пола - 1395 мм,

- количество осей - 4,

- модель 2-осной тележки - 18-100М,

- наличие переходной площадки - нет,

- наличие стояночного тормоза - есть,

- высота торцовых бортов - 400 мм,

- высота продольных бортов -500 мм,

-количество продольных бортов-8 шт.,

-количество торцевых бортов-2 шт.,

- длина пола - 13400 мм,

- ширина пола-2870 мм,

- площадь - 52,8 м²,

- удельная площадь - 0,72 м²/т,

- год постановки на серийное производства - 1985 г,

- возможность установки буфера - нет.

Ударно-тяговые приборы служат для сцепления вагонов между собой и с локомотивом, для восприятия, передачи и амортизации растягивающих (тяговых) и сжимающих усилий от локомотива и от одного вагона к другому. Современным ударно-тяговым прибором является автосцепное устройство, выполняющее все основные функции ударных (буфера) и тяговых (сцепки) приборов.

Тормоз предназначен для создания искусственного сопротивления движению поезда или отдельного вагона с целью регулирования скорости движения или остановки, а также для удержания на месте. Устройство тормозов изучается в курсе «Автоматические тормоза».

В настоящее время грузовые вагоны железных дорог России строят с тележками типа 18-100, которое имеют клиновые гасители колебаний.

Боковая рама тележки выполнена в виде стальной отливки, в средней части которой расположен проем для рессорного комплекта, а по концам - проемы для букс. В верхней части концевых проемов имеются концевые приливы, которыми боковые рамы опираются на буксы, а по бокам буксовые челюсти. По бокам среднего проема в верхней части рамы расположены направляющие для обеспечения поперечного перемещения фрикционных клиньев, а внизу имеется опорная поверхность для установки рессорного комплекта. С внутренней стороны к этой поверхности примыкают полки, являющиеся опорами для наконечников триангелей в случае обрыва подвесок, которыми триангели подвешены к кронштейнам боковой рамы. В местах расположения клиньев к колонкам рамы приклепаны фрикционные планки. На наклонном поясе отливают 5 цилиндрических выступов, часть которых срубается в соответствии с фактическим расстоянием между наружными челюстями буксовых проемов. Подбор боковых рам при сборке тележек производят по числу оставленных шишек, что гарантирует соблюдение необходимых допусков для обеспечения параллельности осей колесных пар.

Надрессорная балка тележки отлита заодно с подпятником, опорами для размещения скользунов, гнездами для фрикционных клиньев и приливом для крепления кронштейна мертвой точки рычажной передачи тормоза. Боковые рамы надрессорной балки тележек 18-100 отлиты из низколегированной стали, имеющей предел прочности не менее 500 МПа.

Рессорный комплект тележки состоит из 5, 6 или 7 двухрядных пружин, расположенных под каждым концом надрессорной связи. Количество пружин зависит от грузоподъемности вагона. Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний, отлитые из стали и подвергнутые нормализации. На нижней опорной поверхности клина имеется кольцевой выступ, который входит внутрь поддерживающей пружины.

Также в состав тележки входят две колесные пары с буксами.

2. Выбор основных параметров вагона

Основными параметрами вагона являются: грузоподъемность Р, тара Т, осность m_o, объем кузова V, линейные размеры. Для сравнения вагонов между собой пользуются величинами, представляющими отношениями этих параметров: удельный площадь пола f_y, технический коэффициент тары к_т, осевая р_о и погонная q_п нагрузки.

Правильный выбор параметров обеспечивает наименьшие затраты на перевозку грузов. Так как вагоны имеют длительный срок службы, то вновь проектируемые конструкции должны удовлетворять не только современным, но и перспективным условиям эксплуатации.

Определение параметров грузовых вагонов следует вести в следующем порядке:

1) установить коэффициент тары;

2) определить грузоподъемность вагона;

3) установить оптимальный удельный объем кузова;

4) определить геометрический объем кузова;

5) найти линейные размеры вагона.

2.1 Расчет грузоподъемности вагона

Грузоподъемность вагона Р, или полезная нагрузка является основным параметром вагона, определяющим максимальную массу груза.

Одним из главных факторов, влияющих на грузоподъемность вагона, является допускаемая осевая нагрузка р_о. Возможная осевая нагрузка определяется на основе прочности пути, которая, в свою очередь, зависит от грузонапряженности железных дорог.

Исходя из мощности пути и экономичности его содержания, а также прочности подвижного состава в настоящее время для основных типов грузовых вагонов допускаемая осевая нагрузка составляет 25,5 тс.

Проводимая реконструкция пути, заключающаяся в установке более тяжелых типов рельсов (Р 65 и Р 75) с объемной закалкой, позволяет в перспективе увеличить вагонные осевые нагрузки до 25 тс и более.

На основании исходной осевой нагрузки и осности вагона, которые указаны в задании на курсовой проект, грузоподъемность разрабатываемой конструкции (нового) вагона рассчитывается по формуле:

Р = , (2.1)

где р_оm_о= Р_бр - масса брутто вагона, т;

р_о = 24- заданная осевая нагрузка, тс;

m_o = 4 - количество колесных пар в вагоне;

к_т - технический коэффициент тары.

Ориентировочное значение технического коэффициента тары определяется исходя из параметров существующей (базовой) модели вагона:

к_т = , (2.2)

где Т_б = 25,2- тара базовой модели вагона по заданию, т.;

Р_б = 68 грузоподъемность этой модели, т.

к_т = =0,37

Р_бр = 24 4 = 96 тс.

Р = =70,07 тс.

После определения грузоподъемности разрабатываемого вагона определяется его тара:

Т = Р_бр - Р, (2.3)

Т = 96 - 70,07=25,9 тс.

В целях создания рациональной конструкции необходимо стремиться к уменьшению тары вагона и увеличению его грузоподъемности. Пути снижения тары вагона за счет мероприятий, связанных в основном с применением наиболее прогрессивных материалов для несущей конструкции кузова и отдельных деталей, а также с некоторыми конструктивными изменениями:

а) использование полой оси.

Если предполагается уменьшение тары на ?Т, то можно увеличить на такое же значение грузоподъемность вагона, оставляя неизменной допускаемую осевую нагрузку и, следовательно, вес вагона брутто:

Р_бр=Р_н+Т_н=(Р+?Т)+(Т -?Т), (2.4)

где Т_н = Т - ?Т- тара нового вагона;

Р_н = Р+?Т- грузоподъемность нового вагона;

Рбр= (Р+?Т)+(Т -?Т)= (70,07+1,02)+(25,9-1,02)=96 тс

?Т=0,14+0,0788=1,02 тс

Определив окончательно скорректированную грузоподъемность и тару разрабатываемой конструкции вагона, можно найти значение технического коэффициента тары нового вагона:

, (2.5)

= 0,35.

2.2 Определение линейных размеров вагона

Определив грузоподъемность вагона P_н, можно вычислить площадь пола F_н:

F_н = P_н f_у.опт, (2.6)

где f _у.опт = 0.8 м²/т -оптимальное значение удельного объема.

F_н = 71,10.8=56,9 м².

Внутренняя длина платформы, м:

, (2.7)

где - 2B_к - внутренняя ширина платформы, м.

м.

Наружная длина кузова, совпадающая у большинства конструкций с длиной рамы, определяется по формуле:

, (2.8)

где - толщина торцовой стенки корпуса

Толщину торцовой стенки кузова вагона можно принимать равной толщине стенки базового вагона:

м, 2L_p= 19,8+0,6=20,4 м

Общая длина вагона:

2L_о=2L_р+2а_а, (2.10)

где a_а- вылет автосцепки, т.е. расстояние от концевой балки рамы до оси сцепления автосцепок. Значение a_а принимаем равным 610 мм для всех типов четырехосных вагонов.

2L_о=20,4+20,61=21,6 м

База вагона:

2l_нов=2L_р /, (2.11)

где - коэффициент, определяемый соотношением между длиной рамы и базой расчетного двухосного вагона из условия равенства выносов его концевой и внутренней частей в габарит подвижного состава.

2l=20,4/=14,5 м.

Длина консольной части вагона:

n_к=(2L_р -2l)/2. (2.12)

n_к=(20,4-14,5)/2=2,95 м.

Из условия размещения автосцепного оборудования на раме четырехосного вагона длина консоли не должна быть менее 1500 мм.

3. Вписывание вагона в габарит подвижного состава

Одним из главных условий безопасности движения вагонов является предупреждение возможности их соприкосновения со стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или с другим подвижным составом, находящимся на соседнем пути, поэтому стационарные сооружения должны располагаться на определенном расстоянии от железнодорожного пути, а подвижной состав иметь ограниченное поперечное очертание.

Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие допускаемые размеры приближения строений и путевых устройств к оси пути, - габарит приближения строений; контур, ограничивающий наибольшие допускаемые размеры поперечного сечения подвижного состава, - габарит подвижного состава. Второй контур располагается внутри первого и между ними имеется пространство. Пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава обеспечивает безопасные смещения вагонов, возникающие при движении поездов и обусловленные возможными отклонениями в состоянии пути и динамическими колебаниями вагона.

Максимальные допускаемые горизонтальные строительные размеры вагона получают путем умножения размеров габарита подвижного состава на величину смещений, обусловленных зазорами, износами ходовых частей и прогибом рессорного подвешивания каждого типа вагона, а также выносом частей вагона при движении по кривым.

3.1 Определение горизонтальных размеров строительного

очертания вагона

При движении вагона по кривому участку пути его ось пересекается с осью пути в двух точках сечения вагона, которые называют пятниковыми, или направляющими. При этом средняя часть вагона, расположенная между направляющими сечениями, смещается внутрь кривого участка, а консольные части - наружу.

Таким образом, допускаемая ширина вагона на некоторой высоте Н над уровнем верха головок рельсов определяется по формуле:

2В = 2(В_о - Е), (3.1)

где В_о - половина ширины габарита подвижного состава, в который производится вписывание вагона, на некоторой высоте Н, В_о=3000 мм;

Е - одно из ограничений полуширины вагона за счет максимально возможных смещений.

Для направляющих поперечных сечений (по шкворням тележки) ограничение рассчитывается по формуле:

Е_о = 0,5(S_к - d_г) + q + щ +(к₁-к₃)-к. (3.2)

Ограничение полуширины для внутренних сечений, расположенных между пятниковыми, или направляющими:

E_в = 0,5(S_к - d_г) + q + щ + [к₂(2l-n)n + к₁ - к₃] - к + б. (3.3)

Для поперечных сечений, расположенных снаружи пятниковых, т.е. на консолях вагона, ограничение вагона определяется по формуле:

Е_н=(0,5(S_к - d_г) + q + щ)(2l+2n)/2l+ [к₂(2l+n)n-к₁-к₃]-к+в. (3.4)

В формулах (3.2) - (3.4):

0,5(S_к - d_г) - максимальный разбег предельно изношенной колесной пары в рельсовой колее (смещение из центрального положения в одну сторону); S_к - максимальная ширина колеи в кривых расчетного радиуса, при ширине колеи в прямых участках S_к = 1520_-4⁺⁸ мм, в расчетных кривых дается дополнительное ее уширение на 15 мм, т.е. S_к = 1535_-4⁺⁸ мм;

d_г - минимальное расстояние между наружными гранями предельно изношенных гребней колесной пары, d_г = 1489 мм для колесных пар грузовых вагонов, обращающихся со скоростью до 33 м/с;

q - наибольшее горизонтальное смещение буксового узла из центрального положения в одну сторону, мм;

щ - наибольшее горизонтальное смещение надрессорной балки тележки из центрального положения в одну сторону, мм;

q + щ = 31 мм - суммарное отклонение кузова четырехосного вагона на роликовых подшипниках за счет смещения буксового узла и надрессорной балки тележки;

к₁ = =2,14 мм - дополнительное смещение тележечного вагона в кривой расчетного радиуса R, R = 200 м для габаритов Т, 1-Т, Т_пр, Т_ц и верхней 2l_т - база тележки;

1000 - переводной коэффициент (переводит метры в миллиметры);

к₂ = =2,5 мм - переводной коэффициент, зависящий от расчетного радиуса кривой;

к₃ = = 180 мм - льготное уширение габарита приближения строений в кривой R = 200 м;

к = 0 - допускаемый выход частей вагонов, проектируемых по габаритам 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и нижней части габарита 1-ВМ;

б, в - дополнительные ограничения для вагонов длиной более 29,6 м (для обычных вагонов б = в =0);

2l - база вагона, м;

n - расстояние от рассматриваемого сечения вагона до ближайшего шкворня тележки, м.

При расчете ограничения Е_в находят максимальное смещение. Которое будет посередине базы вагона, то есть следует вместо n подставлять 2l / 2.

При определение максимального смещения консольной части в формулу (3.4) вместо n подставляем n_к.

Введением в формулу (3.4) множителя учитывается наиболее неблагоприятное для консольных частей расположение вагона в кривой, когда колеса одной тележки прижаты гребнями к наружному рельсу, а колеса другой тележки - к внутреннему рельсу, т.е. рассматривается положение наибольшего перекоса.

Для кривого участка пути:

S_к=1543 мм,

Е_о = 0,5(1543 - 1489) + 31 +(2,14-180)=58+-177,86 мм;

E_в = 0,5(1543 - 1489) + 31+ 2,5(14,5-7,25)7,25 - 2,14-180 =58+-46,45 мм;

Е_н=(0,5(1543-1489+31)(14,5+22,95)/14,5+[2,5(14,5+2,95)2,95-2,14-180]=81,78+-53,44 мм.

Для прямого участка пути:

S_к=1528 мм,

Е_о = 0,5(1528 - 1489) + 31 +(2,14-180)=50,5+-177,86 мм;

E_в = 0,5(1528 - 1489) + 31+ 2,5(14,5-7,25)7,25 + 2,14-180 =50,5+-46,45 мм;

Е_н=(0,5(1528-1489)+31)(14,5+22,95)/14,5+[2,5(14,5+2,95)2,95-2,14-180]=105,59+-53,44 мм.

При расчетах ограничений Е_о, Е_в, Е_н по формулам (3.2) - (3.4) для габаритов Т, Т_пр, 1-Т, Т_ц и 1-ВМ (в верхней зоне) суммы в квадратных скобках оказались отрицательными, что свидетельствует о недоиспользовании льготного уширения габарита приближения строения в кривых. Поэтому при первом расчете отрицательные значения не учитываются, но записываются в скобках, а затем производится процесс вписывания в прямой участок пути, т.е. определяются ограничения Е_о, Е_в, Е_н при ширине колеи 1520⁺⁸ мм по формулам:

Е_о = 0,5(S_к - d_г), (3.5)

Е_о =0,5(1528-1489)=19,5 мм.

Е_в = 0,5(S_к - d_г) + q + щ, (3.6)

Е_в =0,5(1528-1489)+31=50,5 мм.

Е_н=(0,5(S_к - d_г) + q + щ), (3.7)

Е_н=(0,5(1528-1489)+31)(14,5 +22,95)/14,5=71,04 мм.

Полученные значения новых ограничений сравнивают с ранее рассчитанными в тех же сечениях, при этом их разность (Е_кр - Е_пр) не должна превышать по абсолютной величине отрицательных значений в скобках.

Е_о^кр-Е_о^пр=58-19,5=38,5|-177,86|,

Е_в^кр-Е_в^пр=58-50,5=7,5|-46,45|,

Е_н^кр-Е_н^пр=105,59-71,04=34,55|-53,44|.

Применение такого уточнения позволяет увеличить ширину вагона между пятниковыми сечениями на 15 мм, а в консольных частях - на 15, поскольку ширина прямой колеи на 15 мм меньше ширины колеи расчетного радиуса.

Поскольку для разных поперечных сечений вписываемого в габарит вагона ограничения полуширины Е_о, Е_в и Е_н имеют разные значения, ширина строительного очертания вагона также получается различной.

Для удобства постройки и эксплуатации кузова вагонов обычно имеют плоские стены, поэтому ширину строительного очертания вагонов устанавливают по наименьшему значению ограничения, т. е. по наименьшему поперечному сечению.

Для выяснения возможности лучшего использования габарита построим горизонтальную габаритную рамку с указанием значений ограничений для различных сечений (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Горизонтальная габаритная рамка

Получив значения Е для прямых участков пути и подставив их в формулу (3.1), получаем:

2В_о=2(1700-19,5)=3361 мм;

2В_в=2(1700-50,5)=3299 мм;

2В_н=2(1700-71,04)=3257,92 мм.

3.2 Установление вертикальных размеров строительного

очертания вагона

Наибольшая высота строительного очертания проектируемого вагона, которую он может иметь в ненагруженном состоянии, определяется верхней линией габарита подвижного состава или исходя из других особых условий эксплуатации вагонов (высота загрузочных эстакад, размеры вагоноопрокидывателей и т.п.).

Наименьшие допускаемые вертикальные строительные размеры по низу (с высоты 1370 мм) получаются путем увеличения соответствующих вертикальных размеров габарита подвижного состава на значение возможного в эксплуатации статического параллельного понижения вследствие максимально нормируемого износа ходовых частей, а для обрессоренных деталей - и вследствие неравномерной осадки рессорного подвешивания.

Для этой цели вертикальные размеры габаритных линий, ограничивающих необрессоренные части, увеличивают на значение нормируемых износов ходовых частей (уменьшение толщины обода, опорной поверхности корпуса и буксы и т.п.); линий, ограничивающих обрессоренные части кузова, - на значение вышеуказанных износов и статического прогиба (осадки) рессорного подвешивания, зависящих от массы кузова и полезной нагрузки вагона.

Значения возможных понижений элементов четырехосных вагонов на роликовых подшипниках, мм, можно принимать следующие: букса - 53; рама тележки - 55; кузов вагона - 110.

Построим вертикальную габаритную рамку вагона.

Рисунок 3.2 - Вертикальная габаритная рамка

3.3 Определение размеров проектного очертания вагона

Номинальные конструктивные размеры вагона получаются путем уменьшения размеров строительного очертания на размер технологических отклонений, допускаемых при постройке вагона. Например, наибольшая высота проектного очертания вагона получается путем уменьшения высоты строительного очертания на плюсовой допуск высоты автосцепки и допускаемого при постройке вагона увеличения высоты кузова.

Все отклонения по высоте в элементах колесных пар, рессорного подвешивания и тележек в целом, а также в пятниках кузова и раме вагона охватываются установленным допуском по высоте автосцепки (обычно +/- 20 мм).

Определение предельно допускаемых положений нижней части кузова и деталей тележки должно производиться путем распределения между отдельными элементами конструкции тележки общего минусового допуска по высоте автосцепки (-20).

При определении горизонтальных номинальных конструктивных размеров вагонов следует учитывать симметричное относительно оси пути расположение их деталей, а, следовательно, и симметричное расположение полей допусков. Для основных типов существующих грузовых вагонов сварной конструкции можно принимать итоговое технологическое отклонение на высоте верхней обвязки равным 20 мм, а на высоте рамы вагона - 10 мм. Для наглядного представления наибольших допускаемых проектных размеров кузова вагона также строятся габаритные рамки - горизонтальная и вертикальная.

4. Нагрузки, действующие на вагон и его части

При расчете на прочность вагонов и их частей (согласно нормам МПС) должны учитываться: вертикальная и боковая нагрузки; продольные силы; усилия, связанные с торможением; усилия распора сыпучих и навалочных грузов; усилия, прикладываемые к вагону при ремонте. Все перечисленные нагрузки при расчете условно принимаются действующими статически.

При выполнении данного раздела курсового проекта необходимо определить:

1) вертикальные статические и динамические нагрузки, действующие на подпятник надрессорной балки, рессорный комплект и боковую раму тележки;

2) боковые нагрузки, действующие на подпятник тележки;

3) дополнительные вертикальные и продольные нагрузки, действующие на переднюю по ходу движения тележку и обусловленные силами инерции.

4.1 Вертикальные нагрузки, действующие на детали тележки

4.1.1 Вертикальная статическая нагрузка

Вертикальная статическая нагрузка на любую деталь вагона при расчете на прочность рассчитывается с учетом ее собственного веса:

Рст = (Рбр - Рч)/m, (4.1)

где Рбр - сила тяжести вагона брутто, тс;

Рч - масса частей и укрепленного на них оборудования, через которые передается нагрузка от рассчитываемой детали вагона на рельсы, тс;

m - число одноименных, параллельно загруженных деталей.

Исходя из этого, вертикальная статическая нагрузка на подпятник тележки определяется по формуле:

Рст^подп = [Рбр - (Рк.п.^(б) mо + Рб.р. nб.р. + Рр.к. nр.к.)]/m1, (4.2)

где Р_к.п.^(б) =1,4 т ? масса колесной пары с буксами;

Рн.б.=0,57 т ? масса надрессорной балки;

Рб.р. =0,42 т ? масса боковой рамы тележки;

Рр.к. = 0,36 т ? масса рессорного комплекта тележки;

nб.р. = 4 - число боковых рам в тележках под вагоном;

nн.б. =4 - число надрессорных балок;

nр.к. = 4 - количество рессорных комплектов под вагоном;

m1 = 2 - количество подпятников на вагоне.

Рст^подп = [96- (1,4 4 + 0,424 + 0,364)]/2=43,64 тс.

Вертикальная статическая нагрузка на рессорный комплект определяется по формуле:

Рст^(р.к.) = [Рбр - (Рк.п.^(б) mо + Рб.р. nб.р..)]/nр.к., (4.3)

Рст^(р.к.)= [96 - (1,44+0,424)]/4=22,18 тс,

на боковую раму тележки:

Рст^(б.р.) = [Рбр - Рб.р.^.nб.р.]/nб.р. (4.4)

Рст^(б.р.)=(96 ?0,42^.4)/4=23,54 тс.

4.1.2 Вертикальная динамическая нагрузка

Вертикальная динамическая нагрузка Рд возникает при движении вагона по рельсовому пути вследствие ускорения массы вагона и груза при колебаниях на рессорах и прохождении неровностей пути. Она определяется умножением статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики кд.в_.:

Р_д = Рсткд.в. (4.5)

Расчетный коэффициент вертикальной динамики рассчитывается по формуле:

кд.в. = , (4.6)

где - среднее значение коэффициента вертикальной динамики;

в - параметр распределения, для деталей грузовых вагонов при существующих условиях эксплуатации в = 1,13;

Р(кд.в.) - доверительная вероятность, при расчете на прочность по допускаемым напряжениям рекомендуется принимать Р(кд.в.) = 0,97.

После подстановки в (4.6) значений в и Р(кд.в.), получаем следующее выражение для коэффициента вертикальной динамики для грузовых вагонов:

к_д.в. = =1,87,

кд.в. =1,87 (4.7)

Среднее значение определяется по формулам:

при U ? 15 м/с (? 55 км/ч)

= а + 3,6в10^{- 4} (V-15)/fст, (4.8)

где а =0,05 - коэффициент, принимается равным для элементов кузова 0,05; для обрессоренных частей тележки = 0,1; для необрессоренных частей тележки (за исключением колесных пар) =0,15.

в = =1- коэффициент, учитывающий осность тележки;

тт - число осей в тележке;

v=33,3 - скорость движения вагона, м/с;

fст - статический прогиб рессорного подвешивания, м.

Статический прогиб рессорного подвешивания рассчитывается конкретно для проектируемого вагона исходя из нагрузки, действующей на рессорный комплект, и жесткости рессорного комплекта Ср.к.:

fст = Рст^(р.к.)/Ср.к. (4.9)

Исходя из того, что в каждом рессорном комплекте двухосной тележки устанавливается по семь двухрядных пружин, работающих параллельно, суммарная жесткость рессорного комплекта:

Ср.к. = 7(Сн + Св) (4.10)

где С_н, Св - жесткость наружной и внутренней пружин соответственно.

Жесткость любой пружины с круглым сечением прутка можно рассчитать по формуле:

С = Gd⁴/8Д³np (4.11)

где G - модуль сдвига, равный 810⁴ МПа;

d - диаметр прутка пружины, м;

Д - средний диаметр пружины, м;

nр- число рабочих витков.

Для наружной пружины:

dн=0,03 м,

Д=0,17 м,

nр.н=4

Сн=810⁴0,03⁴/80,17³4=0,41 МПам

Для внутренней пружины:

dв=0,021 м;

Дв =0,111 м;

nр.н =6,45

Св=810⁴0,021⁴/80,111³6,45=0,22 МПам.

Суммарная жесткость рессорного комплекта:

Ср.к. = 7(0,41+0,22)=4,41 МПам.

Вертикальные динамические нагрузки на элементы кузова:

а =0,05:

fст=22,1810^-2/4,41=0,5 м.

=0,05+3,610^-4 (33,3-15)/ 0,05=0,18,

кд.в=1,870,18=033,

Рд=43,640,33=14,69 тс.

Вертикальные динамические нагрузки на обрессоренные части тележки:

а=0,1:

=0,1+3,610^-4 (33,3-15)/ 0,05=0,23,

кд.в.=1,870,23=0,43

Рд=22,180,43=9,54 тс.

Вертикальные динамические нагрузки на необрессоренные части тележки:

а=0,15:

=0,15+3,610^-4 (33,3-15)/ 0,05=0,28,

кд.в.=1,870,28=0,52

Рд=23,540,52=12,33 тс.

4.1.3 Суммарная вертикальная нагрузка

Эта нагрузка считается действующей статически на любую деталь тележки и складывается из вертикальной статической и вертикальной динамической нагрузок:

Рверт.=Рст+Рд=Рст(1+кд.в.). (4.12)

На подпятник:

Рверт.= 14,69+43,64=58,33 тс.

На рессорный комплект:

Рверт.= 9,54+22,18=31,72 тс.

На боковую раму:

Рверт.= 12,33+23,54=35,87 тс.

4.2 Боковая нагрузка

Боковая горизонтальная нагрузка, действующая на подпятник тележки и возникающая при движении вагона по кривому участку пути, складывается из центробежной силы и давления ветра на кузов:

Н = 0,5(Нц+Нв), (4.13)

где Н_ц - центробежная сила, направленная наружу кузова вагона;

Нв - равнодействующая сила давления ветра на кузов вагона.

Центробежная сила, действующая на все части вагона, определяется с учетом возвышения наружного рельса над внутренним по формуле:

Ну = (Рбр-Рч)(v²/gR - hp/2S), (4.14)

где v - скорость движения, м/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

R - радиус кривой, м;

hp - возвышение наружного рельса над внутренним;

2S - расстояние между кругами катания колесной пары, м.

Обозначив

зц = (v²/gR - hp/2S) (4.15)

и подставив в формулу (4.14), получим:

Н_ц = зц(Рбр - Рч). (4.16)

Если в технических требованиях не оговорены особые условия движения в кривых, то зц = 0,075 для грузовых вагонов.

Нц=0,075(96-2•4,8)=64,8 кН.

Равнодействующая сила давления ветра Нв определяется по формуле:

Н_в = щF, (4.17)

где щ - удельное сопротивление ветра, перпендикулярное боковой стене вагона, принимаемое согласно нормам расчета на прочность равным 50 кгс/м²;

F - площадь боковой проекции кузова, м².

При определении площади боковой поверхности кузова не учитывается, что в поперечном сечении круглый:

F = 2LpHmax^(k), (4.18)

где Hmax^(k) - максимальная высота кузова с учетом рамы вагона, Hmax^(k)=2,896 м.

F =20,4 2,896=59,08 м²,

Нв =50059,08 = 29,5 кН.

При расчете универсальных платформ и полувагонов вместо боковой проекции кузова принимают боковую проекцию груза (лесоматериалов), погруженных с полным использованием высоты габарита подвижного состава, а для платформ, предназначенных для перевозки большегрузных контейнеров, максимальная высота контейнеров 3-го поколения принимается равной 2896 мм.

Боковая горизонтальная нагрузка:

Н = 0,5(64,8 + 29,5)= 47,15 Н.

4.3 Нагрузки, обусловленные силами инерции

грузовой вагон колесный рельсовый колея

Силы инерции, возникающие при торможении, вызывают дополнительное загружение подпятников обеих тележек в горизонтальной плоскости и вертикальное загружение передней по ходу движения тележки и такую же разгрузку задней.

Инерционная нагрузка при торможении приложена в центре тяжести кузова вагона и определяется по формуле:

Т_к= (Рк/g)j, (4.19)

где Рк = Рбр - 2Рт =96 - 24,8 = 86,4 тс - масса кузова с грузом;

Рт - масса тележки, Рт=4,8 т;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

j - замедление при торможении, м/с².

Силы инерции при торможении в случае отсутствия соударений вагонов в поезде определяется исходя из замедления, равного 0,2g, а при соударениях - 3,0g. Замедление, равное 0,2g, соответствует торможению при высоких скоростях движения, а замедление в моменты соударения вагонов, равное 3,0g, возникает при низких скоростях.

В случае отсутствия соударения вагонов:

j=0,2g Тк=86,4/g0,2g=17,28 тс.

В случае соударения вагонов:

j=3g Тк=86,4/g3g=259,2 тс.

Силы инерции кузова вызывают горизонтальные (вдоль оси вагона) нагрузки на подпятник каждой тележки, определяемые по формуле:

Тп = Тк/2, (4.20)

В случае отсутствия соударения вагонов:

Т_п=17,28/2=8,64 тс.

В случае соударения вагонов:

Тп=259,2/2=129,6 тс.

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки можно определить по следующей зависимости:

Рп=[Тк(hп - hп)]/2l, (4.21)

где hпл - расстояние от центра тяжести вагона до центров осей колесных пар, для порожнего вагона hпл=0,325 м, для груженого вагона hпл=1,615 м;

hп - высота опорной поверхности пятника от горизонтальной плоскости, проходящей через центры осей;

2l - база проектируемого вагона.

Значение hп рассчитывается по формуле:

hп = hпп - (Др/2) - fст, (4.22)

где hпп =0,801 м - расстояние от уровня верха головок рельсов до подпятника тележки;

Др =0,95 м - расчетный диаметр колеса;

fст = 0,05 м - статический прогиб рессорного подвешивания.

hп = 0,801-0,95/2-0,05=0,276 м.

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки при замедлении в случае порожнего движения вагонов:

Рп=[17,28(0,325-0,276)]/14,5= 0,06 тс.

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки при замедлении в случае груженого движения вагонов:

Рп =[17,28(1,615-0,276)]/14,5=1,6 тс.

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки при соударении в случае порожнего движения вагонов:

Рп=[259,2(0,325-0,276)]/14,5=0,88 тс.

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки при соударении в случае груженого движения вагонов:

Рп =[259,2(1,615-0,276)]/14,5= 23,94 тс.

5. Расчет оси колесной пары по условному методу (метод

ЦНИИ-НИБ)

Сложные условия загружения оси, недостаточная изученность напряженного состояния и характеристик материала, а также желание облегчить решение данной задачи обусловили применения упрощенного метода расчета оси.

В данном методе принято нагружение оси обозначать двумя силами: вертикальной 1,25Ро и горизонтальной Н = 0,5Ро, где 1,25 - коэффициент, учитывающий действие вертикальной динамической нагрузки, а Ро - статическая нагрузка на ось от массы вагона брутто, вычисляется по формуле:

Р_о = (роmо - mоqк.п.)/mо = ро - qк.п., (5.1)

где ро - допускаемая осевая нагрузка, тс;

qк.п. - сила тяжести колесной пары без буксовых узлов; для стандартных колесных пар qк.п. = 1,2 тс.

Ро=24-1,2=22,8 тс.

Остальные нагрузки, действующие на колесную пару, учитываются выбором соответствующих допускаемых напряжений.

Расчетные силы считаются приложенными в центре тяжести О вагона (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 - Схема действия сил при условном методе расчета оси

колесной пары

Расстояние h от оси колесной пары до точки О принимают равным 1,45 м. Расчетные силы вызывают загружение:

левой шейки оси -

Р1=(1,25+h/2в2)Ро/2, (5.2)

Р1= (1,25+1,45/2,036)22,8/2=22,37 тс,

правой шейки оси -

Р₂=(1,25-h/2в2)Ро/2, (5.3)

Р2= (1,25-1,45/2,036) 22,8/2=6,13 тс.

Эти силы считаются приложенными к серединам шеек оси, расстояние между которыми 2в2 = 2,036 м.

Вертикальные опорные реакции для левого и правого колес вычисляются без учета массы колесной пары и будут соответственно равны:

N1 = (1,25+(h+r)/2S)Ро/2, (5.4)

N2 = (1,25-(h+r)/2S)Ро/2, (5.5)

где r - радиус колеса при номинальном диаметре колеса 950 мм; r = 0,475 м;

2S - расстояние между кругами катания колес, 2S = 1,58 м.

N1 = (1,25+(1,45+0,475)/1,58)22,8 /2 = 28,14 тс,

N2 = (1,25-(1,45+0,475)/1,58)22,8/2 = 0,36 тс.

В связи с тем, что горизонтальная нагрузка не изменяет суммарные вертикальные нагрузки на шейки оси и опорные реакции, а только их перераспределяет, правильность их вычисления можно проверить по выражению:

1,25Ро = Р1+Р2 = N1+N2, (5.6)

1,2522,8=22,37+6,13=28,14+0,36

28,5=28,5 ? проверка выполняется (верно).

Под действием этих нагрузок в оси возникают изгибающие моменты, значения которых вычисляются в трех расчетных сечениях: I-I - у внутренней галтели шейки (М1); II-II - в плоскости круга катания (М2); III-III - в середине оси (М3).

В соответствии со схемой нагружения (см. рис. 5.1) изгибающие моменты в расчетных сечениях определяются по формулам:

В сечении 1-1:

М1 = Р1l1/2= , (5.7)

В сечении 2-2:

М₂ = Р1l1+Hr =, (5.8)

В сечении 3-3:

М₃ = Р1 в2+ Hr - N1S=, (5.9)

где l1 - длина шейки оси типа РУ-1, РУ-1Ш или РУ усиленной;

l2 - расстояние от середины шейки до плоскости круга катания.

М1 =22,37•0,176•0,5=1,968 тсм.

М2=[(1,25•0,71)(1,018?0,79)+0,475]•11.4=10.51 тсм.

М3 =22,37•1,018+11,4•0,475?28,14•0,79=5,96 тсм.

Из условия прочности на изгиб: Мi = wi[уi], где wi = рdi³/32 и i = 1,2,3, определяются наименьшие допускаемые диаметры оси:

для шейки - d1= , (5.10)

для подступичной части - d2=, (5.11)

для средней части - d3= , (5.12)

где [у1], [у2], [у3] - допускаемые напряжения для шейки, подступичной части и средней части оси,

[у1]=140 МПа, [у2]=165 МПа, [у3]=155 МПа.